АВТОМАТИЗАЦІЯ ПРОЦЕСІВ КЕРУВАННЯ МОРСЬКИМИ РУХОМИМИ ОБ’ЄКТАМИ НА ОСНОВІ РОБАСТНО-ОПТИМАЛЬНИХ СИСТЕМ

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету

і задачі дослідження, охарактеризовано наукову новизну і практичне значення

отриманих  результатів,  представлено  інформацію  з  апробації  й  публікації

результатів дисертаційної роботи  з наведенням особистого внеску автора у

роботах, виконаних у співавторстві. 

Перший розділ присвячено аналізу і систематизації наукових результатів

за  методами  автоматизації  процесів  керування  МРО  у  складі  морських

технологічних  комплексів,  зокрема  методами  створення  математичних

моделей динаміки, робастно-оптимальних систем керування, квазілінеаризації

та оцінки керованості, багатофакторного прийняття рішень та їх застосування

до суднових систем керування. 

Розвиток систем автоматичного керування рухомими об’єктами базується

на методах робастно-оптимального керування, сформованих в основному у

 10

класичних  працях  Р. Белмана,  Р. Калмана,  Л.С. Понтрягіна,

М.М. Красовського,  В.М. Кунцевича,  С.В. Ємельянова  та  інших  науковців.

Суттєвий внесок у розробку моделей та систем керування МРО внесли роботи

Г.В. Соболєва, Р.Я. Першиця, Ю.О. Лукомського, T.I. Fossen, T. Perez та інших

науковців,  де  визначені  основні  підходи  до  формування  математичних

моделей  об’єктів  та  збурень,  досліджено  стійкість,  розроблені  системи

оптимального керування, розглянуто вплив чинника людського фактору на

процес керування. 

Для  створення  ефективних  і  прикладних  алгоритмів  керування

фундаментальним  елементом,  що  постійно  розвивається,  є  керування  зі

зворотними зв’язками, у тому числі змінної структури, а також на основі

використання  лінійних  матричних  нерівностей,  побудови  обмежених

зворотних  зв’язків  із  забезпеченням  додаткових  властивостей  перехідних

процесів  та  інші.  Достатній  ступінь  адекватності  математичних  моделей

розглядуваного класу МРО потребує максимального використання інформації

про структурно-параметричні зв’язки між координатами стану об’єкта при

синтезі керування на основі зворотних задач динаміки руху, які формувалися й

вирішувалися в завданнях аналітичної механіки, механіки керованого польоту

та  ін.  При  розв’язанні  першої  задачі  робастно-оптимального  керування  –

синтезу оптимального керування –  основною і принциповою трудністю при

використанні класичних методів є необхідність розв’язання крайових задач

для синтезу програмного керування і матричних рівнянь Ріккаті при побудові

оптимального  регулятора.  Формування  критеріїв  оптимальності  на  основі

квадратичних критеріїв вимагає формалізацію матриць вагових коефіцієнтів,

що  не  завжди  може  бути  визначено  коректно  або  потребує  виконання

додаткових процедур обчислень. 

Необхідність вирішення другої задачі робастно-оптимального керування

обумовлена неповною апріорною інформацією про динамічну модель МРО  та

середовища через неможливість фізично сформувати і математично описати

всі чинники, які впливають на параметри або функції, що описують параметри

моделі. Застосування в умовах невизначеності «ковзних» режимів вимагає

підвищених витрат енергії і частих перемикань, що для органів керування

МРО може призводити до зниження працездатності. Одним з ефективних

шляхів реалізації робастних алгоритмів є синтез на основі еталонної моделі

об’єкта керування. 

Розвиток  технічних  засобів  освоєння  Світового  океану  обумовлює

актуальність проблеми створення ефективних методів синтезу доступних з

точки зору практичної реалізації та в той же час якісних систем керування

рухом МРО. У цій області на сьогоднішній момент проводяться дослідження зі

створення автономних (без участі людини) суден різноманітного призначення,

зокрема для проведення екологічного моніторингу  водного середовища та

океанографічних робіт  тощо, розробки більш ефективного, порівняно з ПІД-регулятором, авторульового, розв’язання проблем інтелектуального керування

 11

МРО  на  основі  систем  підтримки  прийняття  рішень  (СППР)  в  умовах

невизначеності тощо. 

Аналіз  багаторічної  статистики  аварійності  морського  флоту,

літературних  джерел  та  регіональних  транспортних  проблем  дозволив

визначити  основні  функціональні  задачі  керування  МРО,  що  потребують

подальших наукових досліджень:

– стабілізацію маневрувальних суден з гвинто-кермовим комплексом на

заданих траєкторіях в умовах обмежених акваторій та при маневруванні, для

проведення, наприклад, трубоукладальних робіт із забезпеченням перехідних

процесів  (маневрування)  з  максимальною  швидкодією  при  урахуванні

обмежень на керувальний вплив, а також стабілізацію на заданому курсі при

русі у відкритому морі з мінімумом витрат енергії і кількості перекладань

керма;

–  стабілізацію  МРО  з  якірною  системою  утримання  чи  динамічним

позиціонуванням  у  заданій  безпечній  області  робочого  функціонування,

наприклад, при проведенні перевантажувальних або геологорозвідувальних

робіт  в  умовах  відкритого  моря  за  вимогами  мінімуму  витрати  енергії  в

технологічних режимах і максимальної швидкодії в умовах екстремальних

ситуацій, обумовлених дією значних зовнішніх збурень.

У кінці розділу подано обґрунтування вибору мети дисертаційної роботи

та сформульовано основні задачі дослідження.

Другий  розділ  присвячено  декомпозиції,  квазілінеаризації  та

моделюванню різнотипних МРО у складі морських технологічних комплексів.

МРО, що переміщуються на розділі середовищ у стохастичному потоці повітря

та водного середовища, є багатовимірними, нелінійними, нестаціонарними

(квазістаціонарними) стохастичними динамічними системами. 

Дослідження та аналіз динамічної поведінки МРО у загальному вигляді

постають надзвичайно складною та громіздкою задачею, для спрощення якої

необхідно провести декомпозицію системи на сукупність простіших моделей у

залежності від поставленої мети дослідження та проектування, при цьому ж

забезпечивши  достатню  адекватність  отриманих  моделей.  Разом  з  тим

приймається, що для розглядуваного класу МРО можлива наявність вільних

поверхонь  рідинних  та  сипучих  вантажів  незначним  чином  впливає  на

динаміку  об’єкта  в  горизонтальній  площині  та  цим  впливом  можливо

знехтувати. 

Коливання  МРО  в  горизонтальній  площині  розділяються  на  малі  за

амплітудою високочастотні, обумовлені складовою зовнішнього збурення у

вигляді випадкових впливів морського хвилювання і пульсацій вітру, та значні

за амплітудою низькочастотні, обумовлені впливом течії, складової вітру, що

визначається середньою швидкістю, а також дією керувальних впливів з боку

пристроїв стабілізації. 

Розглянемо  динамічну  модель  поперечно-горизонтальних  коливань

технологічного  перевантажувального  комплексу  двох  суден,  пов’язаних

 12

швартовною  і  кранцевою  системами,  перше  з  яких  має  масу  М1 >> М2  та

утримується  системою  якірних  канатів  і  знаходиться  лагом  до  зовнішніх

збурень: